多相搅拌槽内宏观及微观混合特性的实验研究

摘要

多相搅拌槽反应器广泛应用于化工及其相关生产过程。因此，对多相搅拌槽反应器内混合特性进行研究，对于反应器的设计、放大及优化有重要意义。搅拌槽内的混合过程按其尺度大小可分为宏观混合、介观混合和微观混合。在包含快速化学反应的混合过程中，反应物分子尺度的混合（微观混合）会直接影响到化学反应的结果。而宏观混合则体现在反应器尺度上达到混合均匀所需要的混合时间长短。混合时间的大小与搅拌槽内物料混合所用搅拌装置类型及消耗功率直接相关，对反应器的设计及放大有重要意义。因此，本论文从微观混合和宏观混合两方面对多相搅拌槽内混合特性进行研究。
　　目前已有的微观混合研究多针对液体单相体系，少有关于多相体系内微观混合特性的研究。且已有研究实验设备尺寸小、实验操作范围较窄，考察因素较少，相关研究较为缺乏。本文首先在直径为0.3m的单层HEDT桨搅拌槽内，采用碘化物-碘酸盐平行竞争反应体系，系统研究了搅拌槽内的气-液体系微观混合特性，主要考察进料时间、管内返混、桨径、功率、加料位置、表观气速对液相微观混合的影响。本文推荐采用D/T=0.33的HEDT搅拌桨用于工业气-液操作。桨叶排出区内，在距桨叶端0.2D以内加料时，通气对微观混合影响较小;在距桨叶0.3D位置处加料时，通气后微观混合效果明显变差。然而液面及壁面处，通气可以明显改善微观混合效果。
　　伴随工业装置的不断扩大，化工设备逐渐向大型化发展，对多层桨搅拌槽的需求不断增加。对于碘化物-碘酸盐平行竞争体系，采用多次加料法可明显缩短实验时间减少实验费用，对于大体积搅拌槽内微观混合研究有较大的应用价值。本文在三层组合桨(HEDT+2WHD)搅拌槽内，采用连续加料碘化物-碘酸盐平行竞争体系，对多相搅拌槽内微观混合特性进行研究。主要考察分散相浓度（气体、固体颗粒）、操作条件（加料位置、功耗）对槽内微观混合特性的影响。结果表明，颗粒与气泡共同存在条件下，液相湍流程度降低，这是由于气泡与颗粒碰撞过程耗散大量能量所致。本文提出阻尼膜耗散模型（DampingFilmDissipationmodel，DFD）用于描述气泡与颗粒碰撞过程中的能量耗散机理。
　　目前对于沸腾态多相体系内的宏观混合时间研究较少。本文针对多相体系，对电导率法进行优化;在精准测量常温、沸腾态搅拌槽内功率特性及颗粒临界悬浮转速的前提下，对沸腾态多相搅拌槽内的混合时间进行研究，主要考察分散相浓度（气体、颗粒）、功耗、温度对混合时间的影响。结果表明:气-液两相体系内，常温条件下，通气后混合时间延长;然而，沸腾条件下，表观气速越大，混合时间越短。沸腾条件下，气-液-固三相体系内，混合时间随表观气速或颗粒浓度的升高而延长。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 文献综述

1．1 混合的机理和分类

1．2 微观混合研究

1．2．1 湍流混合与化学反应

1．2．2 微观混合的流体力学机理

1．2．3 微观混合的研究方法

1．2．4 微观混合模型

1．2．5 多相体系内微观混合研究进展

1．2．6 文献小结

1．3 宏观混合研究

1．3．1 混合时间的研究方法

1．3．2 多相体系内混合时间研究进展

1．3．3 文献小结

1．4 主要研究内容

第二章 测试技术及分析方法

2．1 碘化物-碘酸盐平行竞争体系

2．1．1 单次加料离集指数计算方法

2．1．2 多次加料离集指数计算方法

2．1．3 碘三根离子摩尔消光系数测量

2．1．4 微观混合实验流程

2．2 团聚模型计算微观混合时间

2．3 沸腾态体系电导率法

第三章 单层HEDT桨搅拌槽内气-液微观混合特性研究

3．1 实验设备及操作条件

3．2 加料时间测量

3．3 桨叶排出区管内返混现象研究

3．3．1 加料管形状对管内返混的影响

3．3．2 加料管内径对管内返混的影响

3．4 实验重复性验证

3．5 桨叶排出区气-液微观混合特性研究

3．5．1 搅拌桨直径对微观混合的影响

3．5．2 加料位置对微观混合的影响

3．5．3 表观气速对微观混合的影响

3．6 液面及壁面处气-液微观混合特性研究

3．6．1 液面加料位置处微观混合特性

3．6．2 壁面加料位置处微观混合特性

3．7 团聚模型应用

3．8 小结

第四章 三层组合桨搅拌槽内微观混合特性研究

4．1 实验设备及实验物系

4．2 连续加料碘化物-碘酸盐方法重复性验证

4．3 三层组合桨搅拌槽内气-液微观混合特性

4．3．1 气体临界分散转速测量

4．3．2 底桨区域气-液微观混合特性

4．4 三层组合桨搅拌槽内液-固微观混合特性

4．4．1 颗粒临界悬浮转速测量

4．4．2 底桨区域液-固微观混合特性

4．5 三层组合桨搅拌槽内气-液-固微观混合特性

4．5．1 气-液-固三相体系颗粒临界悬浮转速测量

4．5．2 P1位置气-液-固微观混合特性

4．5．3 P2位置气-液-固微观混合特性

4．6 三层组合桨搅拌槽内团聚模型应用

4．7 小结

第五章 沸腾态搅拌槽内宏观混合特性研究

5．1 实验设备及实验物系

5．2 多相体系搅拌功率特性

5．2．1 常温搅拌功率特性

5．2．2 沸腾搅拌功率特性

5．2．3 常温、沸腾搅拌功率对比

5．3 颗粒临界悬浮转速测量

5．3．1 常温态颗粒临界悬浮转速

5．3．2 沸腾态颗粒临界悬浮转速

5．2．3 常温、沸腾态颗粒临界悬浮转速对比

5．4 宏观混合时间特性

5．4．1 气-液两相体系内宏观混合时间

5．4．2 液-固两相体系内宏观混合时间

5．4．3 沸腾态气-液-固三相体系内宏观混合时间

5．5 小结

第六章 主要结论与创新点

6．1 主要结论

6．1．1 单层HEDT桨搅拌槽内气-液微观混合特性研究

6．1．2 三层组合桨搅拌槽内微观混合特性研究

6．1．3 沸腾态搅拌槽内宏观混合特性研究

6．2 创新点

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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